【正文】 積小，結(jié)構(gòu)緊湊。尤其是稀土電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，遍及計(jì)算機(jī)、汽車、工業(yè)機(jī)器人、柔性制造系統(tǒng)、新型醫(yī)療設(shè)備、自動化儀表、變速制冷技術(shù)、防治機(jī)械、油山礦田等眾多的工業(yè)部門，從而展示了稀土永磁無刷電動機(jī)的廣闊前途和強(qiáng)大的生命力。長壽命，高可靠性；高性能，運(yùn)行平穩(wěn)；智能化，機(jī)電一體化，易于控制；體積小，功耗低；價格便宜；慣量小、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)響應(yīng)良好。 位置速度控制精度高用直接驅(qū)動的系統(tǒng)往往其運(yùn)行特性要求具有很高的位置、速度控制精度。與普通的低俗電動機(jī)不同的是適應(yīng)直接驅(qū)動的低速電動機(jī)系統(tǒng)必須具備以下幾點(diǎn)要求： 力矩慣量比大滿足這一要求是為了減少驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量對整個系統(tǒng)慣量的影響，提高系統(tǒng)的快速性。目前，隨著高科技領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，對電動機(jī)系統(tǒng)提出了各種各樣的要求。圖10 帶載運(yùn)行電機(jī)定子表面溫升曲線由以上的分析可知，采用永磁體的無刷直流電動機(jī)既克服了直流電動機(jī)機(jī)械換向的不足，又具有功耗小、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)方便、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，與反饋環(huán)節(jié)相結(jié)合組成伺服控制系統(tǒng)帶載能力強(qiáng)，易于控制。在定子中產(chǎn)生的熱量通過電動機(jī)機(jī)體傳導(dǎo)再散失到空氣中。空氣是很好的絕緣體，因此，直流電機(jī)的總熱傳導(dǎo)系數(shù)相當(dāng)?shù)?。所有電機(jī)都會發(fā)熱，但重要的是電動機(jī)的散熱路徑，因?yàn)槿绻峥?，那么電動機(jī)就可以散去更多的熱量而避免損壞。因?yàn)閃=I2 R，所以電流越大，發(fā)熱量越大。在所有電動機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一個重要問題是散熱，和其他設(shè)備發(fā)熱一樣，電動機(jī)所產(chǎn)生的熱量最終使其尺寸和功率的決定性因素。而除了步進(jìn)電機(jī)，其他類型的電動機(jī)都可以作為伺服電機(jī)使用。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達(dá)到很高的精度。：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價格要貴一些。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機(jī)配合實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力(變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩(水磁式)的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機(jī)器人。通常的機(jī)械臂驅(qū)動方式有以下四種:：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉。7. 對環(huán)境無污染，噪聲要小。，不產(chǎn)生沖擊。3 工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械臂驅(qū)動方案的對比分析及選擇對機(jī)械臂驅(qū)動裝置的一般要求如下: ，單位重量的輸出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高。1200，300/s； 小臂長度及回轉(zhuǎn)角度：300mm，177。工業(yè)機(jī)器人球坐標(biāo)機(jī)械臂的自由度包括大臂、小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及小臂上的伸縮運(yùn)動，為了使機(jī)器人的大臂轉(zhuǎn)動，所需要的最大轉(zhuǎn)矩是當(dāng)小臂呈水平狀態(tài)，如圖21所示。3. 第三個自由度采用絲杠螺母傳動。方案一具有以下特點(diǎn):，適合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標(biāo)準(zhǔn)件，價格也不高。圖9 傳動圖 如圖所示:大臂轉(zhuǎn)動采用行星齒輪減速器，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速，伸縮軸采用絲杠螺母傳動。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)諧波減速器，跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動，力求一步到位，傳動簡單。重量輕是機(jī)器人研制的一個方向，在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。，重量輕工業(yè)機(jī)器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開一般不超過一米左右。在滿足所要求功能的前提下，盡可能降低成本，而對實(shí)踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機(jī)構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標(biāo)準(zhǔn)件，驅(qū)動元件采用便宜的直流伺服電機(jī)，而光電碼盤等測試校驗(yàn)元件則可不用，其功能由軟件部分實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。如果作為示教用機(jī)器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時能直觀地了解它的構(gòu)成和動作原理。而研制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低球坐標(biāo)型機(jī)器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實(shí)際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開發(fā)更先進(jìn)的裝配機(jī)器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進(jìn)行這方面的研究。但總體來說，國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。隨著國內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，研究水平在某些方面己達(dá)到國際先進(jìn)水平。近年來計(jì)算機(jī)、CIMS及柔性自動裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性?？梢哉f，球坐標(biāo)型機(jī)器人在輕型、較簡單且要求機(jī)器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè)。1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機(jī)器人中，球坐標(biāo)型機(jī)器人占了很大的比重。2 工業(yè)機(jī)器人的研究意義和原理設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的研究意義目前，國外已有各種專用和通用的裝配機(jī)器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型四大類。3機(jī)械臂模塊的規(guī)劃與數(shù)學(xué)描述：研究機(jī)械臂的功能約束，研究具有明確機(jī)械功能的模塊定義方法及數(shù)學(xué)描述。為了滿足靈活性強(qiáng)、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計(jì)為具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)的機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂。該機(jī)器人球坐標(biāo)型機(jī)械臂的突出特點(diǎn)是具備較強(qiáng)機(jī)動性、靈活性，機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動作速度快，能夠成功的應(yīng)用于包裝、上下料以及工業(yè)生產(chǎn)等廣泛領(lǐng)域，設(shè)計(jì)將主要圍繞球坐標(biāo)型機(jī)械臂各部件結(jié)構(gòu)，將采用模塊化思想，進(jìn)行機(jī)械臂包括機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，此課題為自擬實(shí)際開發(fā)的科研課題。 本文的研究內(nèi)容本文研究的機(jī)器人機(jī)械臂為球坐標(biāo)型機(jī)器人機(jī)械臂，一般采用直流無刷伺服電機(jī)驅(qū)動，控制簡單，編程方便。我國機(jī)器人發(fā)展已跨過了起步階段，走上了進(jìn)步和發(fā)展的道路。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)過程見圖8所示。工業(yè)機(jī)器人的組合式模塊化設(shè)計(jì)也為機(jī)器人產(chǎn)品快速更新?lián)Q代、提高產(chǎn)品質(zhì)量、方便維修、增強(qiáng)競爭力提供了條件。 對所要設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行功能分析，劃分并設(shè)計(jì)出一系列通用的功能模塊，并對這些模塊進(jìn)行選擇和組合配置，就可以構(gòu)成不同功能，或功能相近但性能不同、價格不同的機(jī)器人產(chǎn)品。（5） 模塊化。（4） 低價格。（3） 高質(zhì)量。（2） 快速性。應(yīng)能開發(fā)出市場急需的、功能實(shí)用的、滿足用戶要求的機(jī)器人。目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究工作從智能化程度來區(qū)分，主要分2個方向：一是全功能通用機(jī)器人的研究，追求高智能化，即在計(jì)算機(jī)控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協(xié)調(diào)一致、高度擬人化的機(jī)器人；二是不過于強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的智能化，提供價格和性能都能令人滿意的簡易型機(jī)器人。進(jìn) 入 90 年代，在國內(nèi)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動下，確定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，實(shí)現(xiàn)了高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的密切銜接，研制出有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，并小批試產(chǎn)，完成了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，建立了9個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地。而各工程中心_L作的側(cè)重點(diǎn)又有所不同:東北地區(qū)以特種機(jī)器人、水下機(jī)器人開發(fā)為L,華北地區(qū)以噴漆Y1lt人、焊接機(jī)器人開發(fā)為主，華東地區(qū)以搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、移動機(jī)器人開發(fā)為主。經(jīng)過近20年努力，特別是經(jīng)過“七11.”攻關(guān)、“ 863”計(jì)劃，取得了一批重要成果，掌握了機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、機(jī)器人語言等技術(shù)。它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實(shí)用化、普及，第二代感知功能機(jī)器人的研究、實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個階段。智能機(jī)器人的研究是一個艱巨而又廣泛的問題，隨著研究的不斷深入，相關(guān)科學(xué)的飛速發(fā)展(如第五代智能計(jì)算機(jī))，具有智能的機(jī)器人在不久的將來一定會出現(xiàn)。智能機(jī)器人被人們稱為第三代機(jī)器人，它是能利用感覺和識別功能做決策行動的機(jī)器人。在機(jī)器人視覺、觸覺研究的同時，機(jī)器人其他感覺功能的開發(fā)也已經(jīng)開始，對機(jī)器人的接近覺、聽覺、滑覺以及會話等功能都進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。與第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人不同，第二代機(jī)器人是具有感覺功能的適應(yīng)控制機(jī)器人。正是由于這個機(jī)械手具有了編程示教再現(xiàn)功能，因此許多人把它作為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)生的標(biāo)志。1954年，美國的George Devol首先把遠(yuǎn)程控制器的桿結(jié)構(gòu)與數(shù)控銑床的伺服軸結(jié)合起來，研制出了第一臺通用機(jī)械手。機(jī)器人對于改善勞動條件、減少安全事故，減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果【10】。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當(dāng)前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢，而機(jī)器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。機(jī)器人工作抗干擾能力強(qiáng)，一心一意按所編程序工作，動作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量?？傊?，機(jī)器人的應(yīng)用面相當(dāng)廣泛，機(jī)器人的工作特點(diǎn)是在計(jì)算機(jī)控制下離開人的干預(yù)進(jìn)行各項(xiàng)工作。在建筑中，己有一種爬壁機(jī)器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機(jī)器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機(jī)器人，具有八個關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂頂端裝有電視攝像機(jī)。在海洋開發(fā)方面，美國曾用Curv號有纜水下機(jī)器人成功地從西班牙附近900米深的海底打撈一顆因B52轟炸機(jī)失事掉入水中的氫彈。某些飛機(jī)機(jī)身、機(jī)艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機(jī)零部件等離子噴涂也采用了機(jī)器人。PUMA機(jī)器人是一種典型的裝配機(jī)器人，有6個自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，微機(jī)控制點(diǎn)位或連續(xù)軌跡，用VAL語言示教編程，其手腕機(jī)構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。搬運(yùn)物料的作業(yè)包括為機(jī)床上下料，為自動生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運(yùn)工件，搬運(yùn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運(yùn)機(jī)器人，典型的搬運(yùn)機(jī)器人是T3和Funac機(jī)器人。未來人們的許多任務(wù)都將有機(jī)器人代為完成。減少了工人的危險程度，做到了一些人不能做到的任務(wù)。它們動作準(zhǔn)確、可靠，即使加工成千上萬發(fā)炮彈，也下會碰到底火引起爆炸事故。它們在軍事工業(yè)和生產(chǎn)領(lǐng)域中大有作為。通常一個機(jī)器人可以保存成百種不同作業(yè)和不同動作套路的程序，可以十分方便地隨主人之意調(diào)用和更換花樣。如果需要叫它們執(zhí)行新的任務(wù)，只需要重新教它們一遍就行了。它們忠于職守，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行人類的指令，從這一點(diǎn)講，機(jī)器人實(shí)在是人類最忠實(shí)的仆人?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機(jī)器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接。焊接作業(yè)包括點(diǎn)焊和弧焊，是機(jī)器人用得最多的作業(yè)之一。 機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展 機(jī)器人的應(yīng)用 在發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領(lǐng)域。包括: 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機(jī)交互能力等。 (3)第三代機(jī)器人即智能機(jī)器人。60年代以來，工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都屬于第一代機(jī)器人，它包括可編程序(用于上下料)的工業(yè)機(jī)器人，具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機(jī)器人，數(shù)控型搬運(yùn)機(jī)器人等。 按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式(這是目前用得最多的一類)。 (2)連續(xù)軌跡控制(CP)機(jī)器人機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同時作受控運(yùn)動，準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運(yùn)動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點(diǎn)的姿態(tài)。 4. 按機(jī)器人運(yùn)動控制方式分類(1)點(diǎn)位控制(PTP)機(jī)器人就是由點(diǎn)到點(diǎn)的控制方式，這種控制方式只能在目標(biāo)點(diǎn)處準(zhǔn)確控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。這些部件可以作為一個獨(dú)立的基本模塊，也可以將幾個部件組合為一個復(fù)合模塊。圖6 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械臂 通過對常用配置方式（常規(guī)坐標(biāo)型）的機(jī)器人的運(yùn)動分析可看到以下兩點(diǎn)：（1）基本動作可分解為體升降、比伸縮、體旋轉(zhuǎn)、臂旋轉(zhuǎn)、腕旋轉(zhuǎn)等；（2）基本運(yùn)動形式可分為直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動兩類。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。圖5 多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂 （5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動。圖4 球坐標(biāo)型機(jī)械臂 （4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。圖2 直角坐標(biāo)型機(jī)械臂 （2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂其運(yùn)動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運(yùn)動系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。 （1）直角坐標(biāo)型機(jī)械臂其運(yùn)動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作